Geoquímica

Isótopos ambientales

El carbono-14, ¹⁴C o radiocarbono, es un isótopo radiactivo del carbono, descubierto el 27 de febrero de 1940por Martin Kamen y Sam Ruben. Su núcleo contiene 6 protones y 8 neutrones. Willard Libby determinó un valor para el periodo de semidesintegración o semivida de este isótopo: 5568 años. Determinaciones posteriores enCambridge produjeron un valor de 5730 años. Debido a su presencia en todos los materiales orgánicos, el carbono-14 se emplea en la datación de especímenes orgánicos.

Datación por radiocarbono

El método de datación por radiocarbono es la técnica basada en isótopos más fiable para conocer la edad de muestras orgánicas de menos de 45 000 años. Está basado en la ley de decaimiento exponencial de los isótopos radiactivos. El isótopo carbono-14 (¹⁴C) es producido de forma continua en la atmósfera como consecuencia del bombardeo de átomos de nitrógeno por rayos cósmicos. Este isótopo creado es inestable, por lo que, espontáneamente, se transmuta en nitrógeno-14 (¹⁴N). Estos procesos de generación-degradación de ¹⁴C se encuentran prácticamente equilibrados, de manera que el isótopo se encuentra homogéneamente mezclado con los átomos no radiactivos en el dióxido de carbono de la atmósfera. El proceso de fotosíntesis incorpora el átomo radiactivo en las plantas, de manera que la proporción ¹⁴C/¹²C en éstas es similar a la atmosférica. Los animales incorporan, por ingestión, el carbono de las plantas. Ahora bien, tras la muerte de un organismo vivo no se incorporan nuevos átomos de ¹⁴C a los tejidos, y la concentración del isótopo va decreciendo conforme va transformándose en ¹⁴N por decaimiento radiactivo.

La masa en isótopo ¹⁴C de cualquier espécimen disminuye a un ritmo exponencial, que es conocido: a los 5730 años de la muerte de un ser vivo la cantidad de ¹⁴C en sus restos se ha reducido a la mitad. Así pues, al medir la cantidad de radiactividad en una muestra de origen orgánico, se calcula la cantidad de ¹⁴C que aún queda en el material. Así puede ser datado el momento de la muerte del organismo correspondiente. Es lo que se conoce como "edad radiocarbónica" o de ¹⁴C, y se expresa en años BP (Before Present). Esta escala equivale a los años transcurridos desde la muerte del ejemplar hasta el año 1950 de nuestro calendario. Se elige esta fecha por convenio y porque en la segunda mitad del siglo XX los ensayos nucleares provocaron severas anomalías en las curvas de concentración relativa de los isótopos radiactivos en la atmósfera.

Al comparar las concentraciones teóricas de ¹⁴C con las de muestras de maderas de edades conocidas mediante dendrocronología, se descubrió que existían diferencias con los resultados esperados. Esas diferencias se deben a que la concentración de carbono radiactivo en la atmósfera también ha variado respecto al tiempo. Hoy se conoce con suficiente precisión (un margen de error de entre 1 y 10 años) la evolución de la concentración de ¹⁴C en los últimos 15.000 años, por lo que puede corregirse esa estimación de edad comparándolo con curvas obtenidas mediante interpolación de datos conocidos. La edad así hallada se denomina "edad calibrada" y se expresa en años Cal BP.

Carbono 14

Cómo se conoce la edad de los fósiles

Fósil humano

¿Cómo es posible saber la edad de un fósil? ¿Cómo se explica que un científico afirme que un objeto o los restos fósiles de un animal o una planta tengan, por ejemplo 30.000 años?

Detrás de tales afirmaciones hay exhaustivos trabajos de investigación.

Uno de los sistemas utilizados es el método del carbono 14, aunque presenta una serie de problemas. El más elemental es que no es válido para datar fósiles de más de 50.000 años.

 “Este fósil, de unos 27.000 años aproximadamente, lo encontramos en el yacimiento…”. Estas ficticias palabras puede haberlas pronunciado un investigador que, con casi total seguridad, ha datado la edad del fósil por el método del carbono 14.

Pero, ¿qué es el carbono 14? ¿Por qué se utiliza para datar fósiles? Y más aún, ¿por qué es fiable este método?

El carbono 14 es un isótopo del carbono que se forma en las partes altas de la atmósfera, a partir del nitrógeno. Por tanto, el carbono 14, está presente en la atmósfera.

Las plantas, cuando hacen la fotosíntesis, fijan en su interior carbono, y en él se incluye el isótopo llamado carbono 14.

Fósil de coleóptero

A lo largo de toda su vida, las plantas fijan carbono 14, y lo hacen hasta el momento en que mueren. A partir de su muerte, comienza el proceso de fosilización y, en él, empieza el proceso inverso: elcarbono 14 empieza a transformarse de nuevo en nitrógeno.

Midiendo la cantidad de carbono 14 y de nitrógeno que hay en el fósil, se puede conocer la edad aproximada de ese fósil.

La masa de carbono 14 de cualquier fósil disminuye a un ritmo exponencial, que es conocido. Se sabe que a los 5.730 años de la muerte de un ser vivo la cantidad de carbono 14 en sus restos fósiles se ha reducido a la mitad y que a los 57.300 años es de tan sólo el 0,01 % del que tenía cuando estaba vivo.

Sabiendo la diferencia entre la proporción de carbono 14 que debería contener un fósil si aún estuviese vivo (semejante a la de la atmósfera en el momento en el que murió) y la que realmente contiene, se puede conocer la fecha de su muerte.

Pero, ¿qué pasa con los animales, que no hacen la fotosíntesis? Pues que sólo pueden fijar carbono 14 cuando se alimentan de organismos que sí hacen la fotosíntesis.

Más sencillo: los animales sólo cogen carbono 14 cuando comen de las plantas. En el animal, cuando muere, empieza el mismo proceso que en la planta muerta. El carbono 14 comienza a transformarse en nitrógeno. Al medir la cantidad de carbono 14 y de nitrógeno se establece su edad.

Pero este método tiene sus limitaciones. El método del carbono 14 vale sólo para un determinado intervalo de tiempo. Hasta 45.000 o 50.000 años.

Dificultades

Fósil de tiranosaurio

No son pocas las dificultades a las que tienen que hacer frente los científicos que utilizan el sistema del carbono 14.

Lo cierto es que, para datar un fósil, han de tener en cuenta una serie de variables que dificultan el trabajo. Todas ellas han de tomarse en cuenta para que el resultado final del estudio sea lo más aproximado posible.

El primer problema que se presenta es que la concentración de carbono que hay en la atmósfera en la actualidad puede no ser la misma que la que había cuando el animal murió. Para calcular la que había en aquel momento, se estudian, “por ejemplo, burbujas de aire que quedan dentro del hielo de la Antártica”.

“Cuando se calcula la edad a partir del carbono se habla de años de radiocarbono, y se debe distinguir años de radiocarbono de años de calendario. Porque 14.000 años de radiocarbono no son lo mismo que 14.000 años de calendario”, asegura Jesús Rodríguez. Por eso, lo correcto es dar las dos cifras, “porque dentro de 20 años, a lo mejor se descubre que lo que datamos como 14.000 años de calendario realmente son 13.000”.

Pero hay más inconvenientes: que las tasas de transformación dependen de otra serie de variables, como las contaminaciones, o las alteraciones que ese fósil haya sufrido a lo largo de su vida como fósil.

 datación potasio-argón o ⁴⁰K/⁴⁰Ar es un método de datación radiométrica, surgido en la década de 1960, utilizado en geología y arqueología para datar rocas o cenizas volcánicas.

Se basa en el principio de la desintegración radiactiva, en el cual el isótopo radiactivo potasio-40 (⁴⁰K) presente en las rocas volcánicas se desintegra a un ritmo conocido en el gas inerte argón-40 (⁴⁰Ar), en un proceso que transcurre en un número determinado de años (1,248 X 10⁹)¹ durante los que el gas se va concentrando en los cristales de la roca. Aprovechando este ritmo y vida media conocidas, el método se presta datar muestras desde 10.000 hasta varios miles de millones años, donde el límite para las muestras más jóvenes se ha establecido para controlar el error de medición por incorporaciones de argón desde la atmósfera.

Descripción del método

Cuando un fluido magmático se enfría, transformándose en roca, el argón comienza a formarse y, con el paso del tiempo, aumentará su proporción en la misma. La cantidad de argón que contiene la roca dependerá de la concentración inicial de potasio y del tiempo transcurrido desde la solidificación.

Estudiando este ritmo de descomposición del ⁴⁰K, y la cantidad de ⁴⁰Ar contenido en las estructuras cristalinas de la muestra de roca, en un proceso de enfriado suficiente como para que el argón radiogénico no se disperse fuera de los cristales, es posible calcular la data de formación de la roca y una cuantificación en la espectrometría de masas. Se necesitan 10 gramos de muestra de roca volcánica para una medición fiable.

Cálculo de la edad de la roca

El potasio-40 es un isótopo radiactivo que se degrada siguiendo los modos de desintegración siguientes :

• 

  λ_ε = 0,581.10^-10/an

• 

  λ_β = 4,962.10^-10/an

La edad de la muestra se obtiene en promedio de la fórmula siguiente :

Como la relación de concentraciones de argón 40 y de potasio 40 es suficientemente fiable, la fórmula se simplifica en :

 siendo la edad de la muestra, et  las cantidades medidas de isótopos padre e hijos.

Limitaciones

Con el método potasio-argón solo se pueden datar yacimientos sepultados por erupciones volcánicas, con lo que resulta imposible conseguir una precisión mayor a ±10%. Generalmente, con este margen de error, las edades obtenidas son menores que la edad verdadera.

Por otra parte, un problema a la hora de datar el K-Ar es que si en la muestra se presenta cierta heterogeneidad, en las partes proporcionales con concentraciones de ⁴⁰K puede haber diversos K/Ar, y esto también puede llevar a una fecha inexacta.

Al utilizar este método se deben tener en cuenta además los diferentes grados de retención de los minerales. Por una parte, cuando la edad perteneciente a la muestra es menor que la verdadera se ha producido pérdida de Ar. Esto se debe a los llamados fenómenos de recristalización, alteración o calentamiento. En este último caso, si la pérdida es total, la datación obtenida corresponde a la edad de ese suceso térmico, lo que permite datar procesos metamórficos.

Por otra parte, ciertas rocas y minerales pueden contener argón heredado. En este caso, entonces, las edades serán mayores a las reales.

Finalmente otro de los inconvenientes de este método hace referencia a la necesidad de hallar rocas volcánicas susceptibles a ser datadas, puesto que éstas solo se encuentran en determinados lugares de la Tierra.

Aplicaciones

Un ejemplo claro del método potasio-argón son los yacimientos de Olduvai (Tanzania), situados en una zona volcánica con altos niveles de cenizas. Su análisis ha permitido datar diferentes niveles de ocupación humana a partir de los 2 millones de años. Asimismo se han podido datar en 3,7 millones de años las pisadas de homínidos sobre ceniza volcánica de Laetoli, situadas próximas a Olduvai.

Datación por potasio-argón

Uso de la datación por potasio-argón

Este método se usa para la calibración cronométrica de la curva de los isótopos de oxígeno y la escala temporal de la polaridad geomagnética; también permite elaborar curvas de enfriamiento de plutones a partir de las temperaturas de bloqueo de los minerales constituyentes y datar rocas sedimentarias clásticas de grano fino con minerales autigénicos ricos en potasio.

Con este sistema es posible datar rocas o cenizas volcánicas con un mínimo de 100.000 años de antigüedad y un máximo de 5.000 millones, por lo que cubre el intervalo temporal comprendido entre el inicio del sistema solar hasta el Holoceno. Además, al tratarse de un mineral muy presente en la corteza terrestre, este método de datación es muy útil para la fijación de fechas en la evolución humana.

Un buen ejemplo del uso de la datación por K-Ar son los yacimientos de Olduvai, ubicados en una zona con una elevada concentración de cenizas; el análisis de las mismas permitió datar distintos niveles de ocupación humana a partir de hace dos millones de años. También pudieron datarse las famosas huellas de Laetoli, unas huellas fosilizadas de homínidos sobre ceniza volcánica que cuentan con 3’7 millones de años de antigüedad.

Funcionamiento de la datación por potasio-argón

Este método de datación se basa en el principio de la desintegración del isótopo radiactivo ⁴⁰K, que se produce en un periodo de 1300Ma. Esta desintegración se da de dos formas: o bien por la emisión de una partícula beta para producir un nucleido Ca o bien por la captura de un electrón, que convierte un protón en un neutrón. De esta forma, se reduce el número atómico y se produce argón-40 (⁴⁰Ar), un gas inerte radiogénico que se va acumulando en los cristales que conforman la roca volcánica cuando esta se ha enfriado.

                Así, el método K-Ar determina el momento en que la roca se ha enfriado lo suficiente como para que el argón no se difunda fuera de los cristales del mineral, es decir, cuando ha alcanzado su temperatura de bloqueo, que cambia de un mineral a otro.

El potasio-40 se rige por los modos de desintegración que siguen:

λ_ε = 0,581.10^-10/an

λ_β = 4,962.10^-10/an

La edad de la muestra se obtiene en promedio de la fórmula siguiente :

Como la relación de concentraciones de ⁴⁰Ar y de potasio 40 es suficientemente fiable, la fórmula se simplifica en :

Limitaciones de la datación por potasio-argón

Al usar este método hay que tener en cuenta que algunas rocas pueden haber sufrido un proceso de recalentamiento que provocara la pérdida de Argón, con lo cual la edad de medición obtenida sería menor a la edad real; también puede darse el caso contrario: una roca puede contener Argón heredado, por lo que obtendríamos una edad mayor a la correspondiente.